电子技术课程实验案例设计
石婷张国英孙慧平
［摘要］步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求与日俱增，在各个国民经济领域有重要应用价值。步进电机在生产生活和工程实践中已被广泛地应用，但步进电机并不能像普通的直流电机与交流电机一样可在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。通过对步进电机的原理、控制电路的设计和制作进行详细阐述，以期培养学生整体电路设计、调试和分析能力，以及工程案例实践、总结和归纳等能力。
［关键词］步进电机；控制电路；驱动电路；显示电路
［基金项目］2021年度教育部产学合作协同育人项目“基于罗克韦尔工业的‘新工科产学研赛师资团队建设”（202102341001）；2021年度教育部产学合作协同育人项目“基于TI器件的电子技术课程实验实践平台开发”（202102165002）；2021年度教育部产学合作协同育人项目“人工智能背景下工程创新创业人才培养探索与实践”（202102535012）
［中图分类号］G642.1［文献标识码］A［文章编号］1674-9324（2023）36-0136-04［收稿日期］2022-05-25
一、教学目的
这是一个运用数字和模拟电子技术解决现实生活和工程实际问题的典型案例，需要运用脉冲产生、计数、译码、移位寄存、信号放大、驱动、状态显示、参数设定、各类门控制、开关控制等相关知识与技术方法，并涉及测量仪器精度、硬件及软件反馈，仪器设备标定及抗干扰等工程概念与方法［1-2］。
通过讲课和实验，使学生进一步熟悉电子原材料的知识和电子仪器的使用方法，熟练掌握电子技术实验的方法，在设计实现综合型模块化题目的过程中，学会测量、记录、分析和调试，提高学生解决实际问题的能力，使其获得感知、积累经验。引导学生根据设计方案中的功能模块，选择元器件，设计满足特定功能需求的单元（部件）或子系统［3-4］。
二、教学设计
本实验案例要求设计一个步进电机控制电路，该电路能够对步进电机的运行状态进行控制。设计要求如下：（1）能控制步进电机正转、反转及运行速度，并由LED显示运行状态。步进电机工作方式可为单四拍或双四拍。（2）测量步进电机的步距角。通过实测步进电机旋转一周所需要的脉冲数，推算出步进电机的步距角。（3）扩展要求：设计步进电机工作方式为单、双四相八拍。
本实验是一个比较完整的课程设计实验案例，需要经历学习研究、方案论证、系统设计、模拟仿真、实现调试、测试标定、设计总结等过程。在实验教学中，应在以下几个方面加强对学生的引导：（1）学习步进电机的基本概念及其与直流电机的区别、工作原理、应用范围、工作特点以及主要分类。（2）学习四相步进电机的工作原理、各个相的组成和位置、公共端和相端的判断、四线五线六线八线的区别以及如何通过实物进行判断。（3）学习四相步进电机的工作方式，单四拍方式、双四拍方式、四相八拍的工作方式，了解通电时序及其特点。（4）介绍步进電机控制的基本原理，要求学生自学实现控制的方法及参数的整定。（5）设计不同部分电路的最佳实验方案，包括设计脉冲发生电路，可通过555电路或其他电路实现；设计脉冲分配器，可通过译码器或移位寄存器实现；控制电路，利用门电路或开关；驱动电路，基于三极管或运放的放大电路；显示电路，数码显示或状态显示。（6）利用软件仿真对设计电路进行模拟仿真，确认设计电路的合理性、正确性和可行性。（7）在电路设计、搭试、调试完成后，必须要用标准仪器设备进行实际测量。（8）在实验完成后，可以组织学生以项目演讲、答辩、评讲的形式进行交流，了解不同解决方案及其特点，拓宽知识面。
在设计中，要注意学生设计的规范性，如系统结构与模块构成、模块间的接口方式与参数要求；在调试中，要注意工作电源、参考电源品质对系统指标的影响，以及电路工作的稳定性与可靠性；在测试分析中，要分析系统的误差来源并加以验证。项目实施所需要的实验资源包括：实验装置，如直流电源、信号发生器、万用表、示波器、实验面包板等；设计软件工具，如Multisium、Protues等；主要电子元器件，如NE555，74LS161、74LS08、74LS74、74LS14（04）、74LS138（74LS153）、CD4017、74LS194等，四相步进电机，发光二极管，整流二极管IN4007，复合三极管TIP122，5Ω（1W）电阻，以及其他电容、电阻若干。
三、教学原理介绍
（一）步进电机介绍
步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的多相时序控制器。
虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不